不同控制方式对交直流系统潮流计算的影响

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(新疆电力设计院，新疆 乌鲁木齐 830047)

0 引 言

中国东部沿海地区经济发达，负荷密集，而能源中心却位于西部，这就造成了供需矛盾，能源与负荷发展极不平衡。发展高压、大容量、远距离输电就变得势在必行，为了提高电网的稳定性与安全性，各电网之间的互联已经进入了实施阶段[1]。单纯交流输电在远距离输电时也存在其局限性，成本高、网损大，在非频率或非同步的互联电网中存在一定的缺陷。因此，无论是经济上还是技术上，高压直流输电都比交流电网有优势。随着全国电网互联的完成，高压直流输电必将在西电东送中发挥重要作用。

换流站是高压直流输电系统的核心部分，换流站灵活、多变的控制策略是保证直流输电系统安全稳定运行的前提条件。文献[2]详细介绍了6种主要的换流站控制方式。文献[3]对一种慢速控制方式进行了研究：交直流混合系统变压器分接头控制，并对分接头控制进行了数学建模。文献[4]对考虑多种控制方式的高压直流系统的潮流进行了计算。

在实际运行中，不同控制方式下直流输电系统的潮流存在很大的差异，整流、逆变的控制方式直接影响潮流结果，快速控制与慢速控制的配合也对潮流的结果有一定影响。下面对几种控制方式进行了研究，对比了电压波动下的潮流结果，对其优缺点进行了分析，并对潮流影响的程度进行了定量分析。

1 换流器数学模型

1.1 换流器的数学表达

高压直流输电的核心是换流器，直流系统建模的实质就是换流器的建模。图1为交直流系统等效电路图[5]，交流电通过整流、逆变形成完整的传送过程，Xc、Rd分别为等效漏抗和直流电阻；Ud、Id分别为直流电压与直流电流。

图1 交直流系统等效图

换流器稳态数学模型[6,7]如下。

(1)

式中，r代表整流侧；i代表逆变侧；α为整流器触发角；β为逆变器触发超前角；γ为熄弧角；μ为换相角；φ为功率因数角；T为换流变压器变比；Ud0为空载直流电压；Ud为直流侧电压；Id为直流电流；Pdc为直流输送功率。

1.2 换流变压器变比计算

潮流计算时，通常需要考虑有载调压变压器的抽头级数，此时的实际变比为与抽头级数有关，如式(2)。

(2)

式中，η为变比；TC为抽头级数；EN、Ud0N分别为交流侧母线额定电压和额定空载直流电压；Δη为换流变压器分接头步长。

2 控制方式

2.1 栅/门极控制

直流系统中，对直流侧电压和电流的控制响应速度较快，通常只有1～4 ms，也称为快速控制，常用的6种控制模式有：定电压控制(CV)、定电流控制(CC)、定功率控制(CP)、整流器定触发角控制(CN)或逆变器定熄弧角控制(CEA)、定角控制和无功功率控制。

有时为了避免在系统故障时由于电压过低而造成的危害，还有两种保护性的控制模式：最小触发角限值控制和低电压限电流控制。

这里主要针对以上6种控制方式，分析研究它们在整流和逆变侧不同组合方式下的优缺点，为实际计算提供理论依据。

2.2 分接头控制

换流变压器分接头控制又叫慢速控制，调节时间较长，通常为5～10 s。它起到对换流变压器有载调压分接头控制、调节的目的。这样就能将整流器或逆变器的角度维持在一定范围内，使直流电压或换流变压器阈侧绕组空载电压在正常的范围内。因此，在实际控制中要对快速控制和慢速控制合理配合。

3 算例分析

采用典型3机7节点交直流混联系统对潮流进行计算，系统图如图2所示。

图2 3机7节点交直流系统图

模型为330 kV和±800 kV交直流混联系统，该模型具体参数如下：直流系统IN=1.2 kA,UN=800 kV,PN=960 MVA，R=19.8 Ω；触发角α=15°；熄弧角γ=15°；换流变压器整流侧和逆变侧漏抗分别为18.43 Ω、15.0 Ω。针对该模型，分别对所提到的几种控制方式组合，采用交替迭代法计算潮流。

下面对不同控制方式组合进行分析。

(1)α角、β角固定。整流侧α角和逆变侧β角固定时，该方式下的潮流结果如表1所示。

表1 整流侧角，逆变侧角固定时潮流结果

计算结果表明，交流侧电压波动时，直流侧电流较为敏感。交流电压升高约为2 kV时，直流电流由1.2 kA跌落至1.05 kA，直流侧电压升高约24 kV，传输功率减小89 MW。

由式(1)可知，当α、β固定时，空载直流电压正比于交流电压，且随交流侧变化波动较大，由此可以看出，在α、β固定时的直流系统稳定性差，不建议在实际工程中采用。

(2)α角、γ角固定。整流侧α角和逆变侧γ角固定时，该方式下的潮流结果如表2所示。

表2 整流侧角、逆变侧角固定时潮流结果

计算结果表明，直流侧电流波动时，逆变侧电压较为敏感。当直流侧电流略有增加，逆变侧和整流侧电压都会下降，但逆变侧下降幅度远大于整流侧。直流侧电流升高越多，整流和逆变侧的压差就越大，进而使电流进一步增加，这种恶性循环将严重影响电网安全。

(3)电流Id、γ角固定。整流侧电流Id和逆变侧γ角固定时该方式下的潮流结果如表3所示。

表3 整流侧Id、逆变侧γ固定时角潮流结果

计算结果表明，交流侧电压波动时，直流侧电流、电压、功率基本稳定，变化不大。当整流侧电流Id和熄弧γ角固定时，交流侧电压波动α角可自我调节。由式(1)可知，直流侧电压、功率也不随交流侧电压波动而变化，这种控制方式能提供持续、稳定的功率输出，是较为合理的控制方式。

(4)α角、Id固定。整流侧α角和逆变电流Id固定时，该方式下的潮流结果如表4所示。

计算结果表明，交流侧电压波动时，通过调整熄弧角可使直流侧电流保持恒定，但电压会有波动。由式(1)可知，α角、Id固定，交流侧电压直接影响直流侧。这种控制方式适用于整流侧电压骤降或逆变侧电压上升的情况。

表4 整流侧角、逆变侧Id固定时潮流结果

(5)Id、Ud固定。整流侧电流Id和逆变侧电压Ud固定时，该方式下的潮流结果如表5所示。

表5 整流侧Id、逆变侧Ud固定时潮流结果

计算结果表明，交流侧电压扰动时，直流侧电压、电流基本维持稳定，是较为理想的控制方式。计算数据表明，交流电压扰动，熄弧角变化明显，实际采用中应该综合考虑利弊。

(6)Pd、γ角固定。整流侧功率Pd和逆变侧γ角固定时，该方式下的潮流结果如表6所示。

表6 整流侧Pd、逆变定γ角固定时潮流结果

计算结果表明，直流侧电压波动时，换流站调整α角，从而改变整流侧电流Id，使输出功率保持稳定。该控制方式适合恒功率传送，但交流侧电压波动过大时可能导致换流器过电流。

4 结 论

对不同控制方式下交直流混联系统的潮流计算进行了研究，分析了各种控制方式下的优缺点，结果表明：对于高压直流输电系统而言，逆变侧定角或定电压，整流侧定功率或定电流控制，在理论上是较为合适的控制方式，但在实际控制中要根据具体情况采用不同控制方式相互配合，所做研究对实际工程提供了理论依据。

[1] 徐政.交直流电力系统动态行为分析[M].北京: 机械工业出版社, 2004.

[2] 赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社, 2004.

[3] 刘崇茹, 张伯明, 孙宏斌. 交直流混合输电系统的换流变压器分接头控制[J].电网技术, 2006, 9(30):22-27.

[4] 杨彬, 叶鹏, 孙保功, 等. 多种控制方式下HVDC系统的潮流计算[J].电网技术, 2010, 34(6): 139-143.

[5] 陈厚合，李国庆，姜涛.控制方式转换策略下的改进交直流系统潮流算法[J].电网技术，2011，35(8)：93-98.

[6] 胡金磊,张尧,李聪.交直流电力系统概率潮流计算[J].电网技术,2008,32(18)：36-40.

[7] 倪以信.动态电力系统的理论和分析[M]. 北京: 清华大学出版社, 2002.

[8] 王毅,侯俊贤,马士英,等．用于调度计划安全稳定校核的潮流自动整合调整方法[J].电网技术, 2010，34(4)：100-104.